FR3074778A1 - Helice de multi-rotors a pas fixe et balancier - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une hélice dédiée à un emploi sur un aéronef multi-rotors comprenant comme constituants principaux: - une partie mobile d'un seul tenant composée de deux pales et de leur interconnexion, - une partie fixe reliant la partie mobile à l'axe de rotation du système de motorisation. La partie mobile possède un certain degré de liberté en rotation autour d'un axe de fixation par rapport à la partie fixe. L'invention a pour but de rendre insensibles les multi-rotors aux variations de vitesses radiales et d'améliorer ainsi leurs qualités de vol en conditions de vent en rafale sans dégrader leurs performances.
Description
L’invention concerne une hélice adaptée à un emploi sur un aéronef multi-rotors et plus particulièrement une hélice équipée d’un moyeu articulé offrant aux pales de l’hélice la liberté de rotation autour d’un axe.
Les multi-rotors sont des aéronefs dotés d’au moins deux voilures tournantes produisant chacune au moins une partie de la sustentation de l’appareil.
Ces voilures tournantes peuvent être de plusieurs types, le plus connu étant l’hélice propulsive dite rigide à pas fixe. Ces hélices sont constituées d’un ensemble de pièces fixes par rapport à l’axe de rotation. Elles présentent un comportement complexe lorsqu’elles évoluent dans un flux ayant une vitesse radiale non nulle, situation couramment rencontrée au cours du vol d’un multi-rotors. En effet la différence de vitesse entre les pales avançantes et reculantes entraîne une dissymétrie de portance qui se traduit en des couples de tangage et de roulis qui s’additionnent aux couples de lacet produits par le moteur. De plus la dépendance au carré de la portance d’une surface à la vitesse d’écoulement induit une augmentation de portance sur la pale avançante supérieure à la diminution de portance sur la pale reculante. La poussée générée par l’hélice augmente donc avec la vitesse radiale, toutes choses égales par ailleurs. Cette dépendance pose d’importants problèmes de contrôle en conditions de vent en rafale. Les variations de vitesse de vent dans cette situation sont en effet très difficilement prévisibles et les techniques de contrôle actuelles s'y révèlent souvent pas suffisamment rapides ou réactives et deviennent même parfois contre-productives.
Pour pallier cette difficulté, l’invention décrite dans le document WO 2017/103867 Al porte sur un rotor à balancier complètement articulé. Ce rotor possède une liberté de mouvement en battement permettant de supprimer les moments de tangage et de roulis ainsi que d’un couplage pas-battement obtenu grâce à une commande de pas collectif, fixe ou variable, non perpendiculaire aux pales. Ce couplage pas-battement permet de conserver le rotor le plus perpendiculaire possible à l’arbre rotor. Cette configuration existe déjà sur des rotors de queue d’hélicoptère, comme le décrivent les documents US 4349316 A et EP 2587079 Al.
Dans une telle configuration, chaque pale est montée sur une articulation de pas et n’est maintenue en place que par les bielles de la commande de pas collectif. Le nombre de pièces augmente grandement la complexité par rapport à une hélice rigide à pas fixe et donc le risque de défaillance augmente. De plus la rupture d’une des pièces de la chaîne cinématique de la commande entraîne une perte totale du contrôle en pas. Enfin, le découplage des deux pales autour de l’axe de pas interdit toute compensation, au moins
-2partielle, du couple généré par les pales autour de cet axe. Ces efforts doivent donc être intégralement supportés par la commande de pas qu’elle soit fixe ou mobile.
Une autre invention, décrite à la figure 7c du document US 6616095 B2, porte sur un rotor dont chaque pale est articulée par sa propre articulation de battement. Un couplage pas-battement est alors obtenu en orientant l’axe de rotation. Si les faiblesses évoquées pour le brevet précédent sont toujours valables, le découplage des deux pales autour de l’axe de battement entraîne une augmentation de l’angle du cône rotor. Ceci diminue son rendement par diminution de la surface projetée du disque rotor, et augmente la génération de forces latérales parasites. Par ailleurs, un couplage pas-battement accentuerait ce phénomène en transmettant les couples de tangage s’appliquant sur les pales autour de l’axe de pas, à l’axe de battement.
La présente invention a pour but de rendre insensibles les hélices des multi-rotors aux variations de vitesses radiales et ainsi d’améliorer grandement leurs qualités de vol en conditions de vent en rafale sans dégrader leurs performances.
L’invention a également pour but de supprimer les moments de tangage et roulis s’exerçant sur l’arbre rotor et de garder le disque rotor le plus perpendiculaire possible à ce dernier.
L’invention a en outre pour but de ne pas complexifier les multi-rotors dont la simplicité fait tout l’attrait.
Pour ce faire, l’invention concerne une hélice dédiée à un emploi sur multi-rotors comprenant comme constituants principaux :
- une partie mobile d’un seul tenant composée de deux pales et de leur interconnexion,
- une partie fixe à l’axe de rotation du système de motorisation.
La partie mobile possède un certain degré de liberté en rotation par rapport à la partie fixe autour d’un axe de fixation dont l’orientation induit un fort couplage pas-battement, caractérisé de telle sorte qu’une augmentation de l’angle de battement entraîne une diminution de l’angle de pas.
Le couplage pas-battement est obtenu en orientant l’axe de fixation de telle sorte qu’il soit sécant et perpendiculaire à l’axe de rotation du système de motorisation et qu’il forme un angle δ avec la corde de l’hélice dans le sens contraire au sens de rotation de l’hélice.
Dans un tel arrangement, les deux pales étant rigides l’une de l’autre, l’angle du cône rotor est réduit grâce à la résistance mécanique de leur interconnexion. Ainsi, la poussée normale au disque rotor est augmentée, améliorant le rendement propulsif de l’hélice.
-3L’intensité des forces radiales générées est également diminuée. De plus, les moments de tangage aérodynamiques générés par chaque pale s’apposent au niveau de l’interconnexion et se compensent partiellement en diminuant ainsi les efforts de torsion, autour de l’axe de pas, transmis à l’axe de rotation.
La présence de l’articulation de battement entraîne une forte diminution des efforts de torsion autour de l’axe de battement, qui constituent les efforts les plus contraignants transmis à l’axe de rotation dans une conception à hélices rigides.
Par ailleurs, la différence de portance générée par les pales avançante et reculante, entraîne, grâce à l’articulation de battement, une inclinaison du disque rotor caractérisée en ce que les pales se trouvent au plus haut dans le sens de la marche et au plus bas dans le sens opposé.
Le couplage pas-battement permet de diminuer l’angle d’attaque de la pale lorsque son angle de battement augmente et de l’augmenter dans le cas contraire. Ceci réduit la différence de portance due à la différence de vitesse. Ainsi, plus l’angle δ est important et plus l’inclinaison du disque rotor est faible
La compensation de la variation de vitesse par la variation de pas des pales, apportée par le couplage pas-battement, permet de rendre la poussée générée indépendante de la vitesse radiale subie par l’hélice. Cette insensibilité permet d’une part, de simplifier la dynamique du multi-rotors et d’autre part, de réduire fortement la sensibilité au vent de ce dernier.
La poussée F des hélices peut être ainsi simplement et précisément estimée par l’équation suivante : F = Κω ω + K, VA ω
Où, Κω et K, sont deux constantes aérodynamiques, VA est la vitesse axiale de l’hélice et ω est sa vitesse de rotation.
Avantageusement et selon l’invention, le couplage pas-battement est maximisé en augmentant l’angle δ dans la limite fixée par la géométrie afin que le plan du disque rotor reste en vol le plus perpendiculairement possible à l’arbre de transmission. La force de poussée générée est ainsi presque parallèle à l’axe de rotation, ce qui simplifie la dynamique du multi-rotors.
Avantageusement et selon l’invention, plusieurs parties mobiles peuvent être superposées sur une même partie fixe afin d’augmenter le nombre de pales.
Avantageusement et selon l’invention, un arrangement d’hélices contrarotatives peut être obtenu en montant deux hélices selon l’invention autour de deux axes concentriques l’une au-dessus de l’autre.
-4Avantageusement et selon l’invention, la partie fixe reliant la partie mobile au système de motorisation maintient l’axe de fixation de part et d’autre de la partie mobile afin que cette dernière soit la plus compacte possible et que les efforts la traversant soient déviés le moins possible. Cette configuration est bien adaptée pour une application de plus de deux pales.
Avantageusement et selon l’invention, la partie mobile est maintenue par l’axe de fixation de part et d’autre de la partie fixe afin que cette dernière soit la plus compacte possible. Cette configuration est bien adaptée pour un agencement contrarotatif à deux hélices.
Avantageusement et selon l’invention, les parties fixes et mobiles sont maintenues par l’axe de fixation à travers un enchevêtrement d’attaches afin que les différents éléments restent solidaires en cas de rupture d’une de ces dernières.
Avantageusement et selon l’invention, un ensemble de roulements ou de paliers montés, suivant l’état de l’art de la technique, aux jonctions entre l’axe de fixation et la partie mobile ou la partie fixe, permet la libre rotation entre ces deux dernières parties.
Avantageusement et selon l’invention, la libre rotation est permise par la déformation de l’axe de fixation ou de ses fixations sur la partie fixe ou la partie mobile.
Avantageusement et selon l’invention, un ou plusieurs constituants de l’hélice peuvent constituer un fusible mécanique limitant les efforts transmis de part et d’autre afin de minimiser les risques de blessures ou de casse de moteurs en cas de collision.
Dans tout le texte, les expressions « haut », « bas », etc., représentatives d’une position ou d’un mouvement, sont à considérer par rapport à une position dans laquelle le plan du disque rotor est parallèle au sol et les efforts de portance dirigés vers le haut, sans que cela puisse être considéré comme limitatif dans le cas où le multi-rotors qui en est équipé serait dans une autre position.
L’invention concerne également une hélice caractérisée en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au vu de la description qui va suivre et des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente une vue schématique en perspective d’un multi-rotors équipé des hélices selon l’invention ;
La figure 2 représente une vue schématique, en vue de dessus, de l’hélice selon l’invention ;
-5La figure 3 est une représentation d’une articulation couplant pas et battement des pales de l’hélice selon l’invention;
La figure 4 est une vue schématique, en vue de côté, d’une hélice selon l’invention, comportant une partie mobile supportée par la partie fixe, à ses bords ;
La figure 5 est une vue schématique en perspective d’une hélice selon l’invention, comportant une partie mobile supportée par la partie fixe, en son centre ;
La figure 6 est une vue schématique en perspective d’une hélice selon l’invention, comportant une partie mobile supportée par la partie fixe par l’intermédiaire d’un enchevêtrement d’attaches ;
La figure 7 est une vue schématique en coupe d’une hélice selon l’invention, comportant des paliers entre l’axe de fixation et la partie mobile ;
La figure 8 est une vue schématique en coupe d’une hélice selon l’invention, comportant des roulements entre l’axe de fixation et la partie mobile ;
La figure 9 est une vue schématique en coupe d’une hélice selon l’invention, comportant un axe de fixation flexible ;
La figure 10 représente une vue schématique en perspective d’une hélice selon l’invention, comportant 4 pales ;
La figure 11 représente une vue schématique en perspective de deux hélices selon l’invention, montées sur le même axe en configuration contrarotative.
La figure 1 montre un schéma en perspective d’un multi-rotors, de type quadri-rotors 5 mais qui peut contenir un nombre indéfini de groupes motopropulseurs supérieur ou égal à deux. H est constitué d’une structure 7, sustentée au moins en partie par des hélices 1 selon l’invention. Ces hélices sont constituées d’une partie mobile 2, reliée à une partie fixe 3 par rapport à l’axe de rotation des moteurs 6, par l’intermédiaire d’un axe de fixation 4.
La figure 2 montre un schéma, en vue de dessus, de l’hélice 1 selon l’invention. Cette hélice comprend une partie mobile 2, sur laquelle on peut définir 2 axes définis dans le plan du disque rotor. Ces derniers sont sécants avec l’axe de rotation du groupe motopropulseur. L’axe de battement 9 est parallèle à la corde des pales. L’axe de pas 8 est perpendiculaire à l’axe de battement 9. L’axe de fixation 4 reliant la partie mobile 2 à la partie fixe 3 a une direction 10 faisant un angle δ 11 avec l’axe de battement 9 dans le sens inverse à la rotation de l’hélice. Cet angle δ 11 entraîne un couplage entre les rotations autour de l’axe de battement 9 et de l’axe de pas 8 comme le montre la figure 3.
-6On se réfère aux figure 3A, 3B et 3C dans lesquelles est représentée en perspective une articulation couplant pas et battement des pales de l’hélice 1 selon l’invention, lorsque l’axe de fixation 4 reliant la partie mobile 2 à la partie fixe 3 forme un angle δ avec l’axe de battement 9 de la figure 2 tel que 0<δ<π/2. La figure 3A représente l’hélice selon l’invention dont le disque rotor est normal à l’axe de rotation des moteurs. La droite 12 est colinéaire avec la corde du profil du saumon de la pale. La figure 3B présente l’effet induit par l’angle δ lorsque la pale est placée plus haut que dans la figure 3A. La droite 13a est colinéaire avec la corde du profil du saumon de la pale dans cette position. Elle forme un angle négatif 14a avec la droite 12. La figure 3C présente l’effet induit par l’angle δ dans le cas contraire où la pale est placée plus bas que dans la figure 3A. L’angle 14b entre la droite 12 et la droite 13b colinéaire avec la corde du profil du saumon de la pale dans cette position, est ici positif. La diminution de l’amplitude de battement des pales est observée pour des angles δ positifs (0<δ<π/2) ou négatifs (π/2<δ<0). L’effet augmente avec la norme de l’angle. En revanche l’insensibilité aux vents relatifs radiaux, de la poussée générée par l’hélice 1 selon l’invention, n’est observée que pour des angles positifs (0<δ<π/2).
On se réfère aux figures 4, 5 et 6 dans lesquelles sont représentées en perspective des variantes d’architectures possibles de l’hélice 1 selon l’invention. La figure 4 représente la partie mobile 2 maintenue par l’axe de fixation 4 à la partie fixe 3 se situant sur ses bords. L’avantage de cette variante est que le chemin des efforts de flexion, autour de l’axe de pas 8 et l’axe de battement 9 définis dans la figure 2, est très peu dévié au niveau de l’entre deux pales. Ceci améliore la robustesse de la partie mobile 2 tout en lui conférant un encombrement minimum. Au contraire, la figure 5 présente la partie mobile 2 connectée de part et autre de la partie fixe 3 par l’axe de fixation. Cette solution a pour principal avantage de donner accès à la partie fixe 3 par le dessus de l’hélice 1 pour y fixer des systèmes complémentaires ou pour y faire passer un arbre de transmission. La figure 6 présente une variante de l’hélice 1, selon l’invention, intermédiaire des solutions proposées dans les figures 4 et 5. La partie mobile 2 est reliée à la partie fixe 3 par une succession d’attaches enchevêtrées 17. En plus de présenter un compromis entre les avantages des solutions exposées dans les figures 4 et 5, cette variante présente une meilleure fiabilité. Les deux parties 2 et 3 restent solidaires en cas de rupture d’une des attaches 17.
On se réfère aux figures 7, 8 et 9 dans lesquelles sont représentées en perspective des variantes de l’articulation entre la partie fixe 3 et la partie mobile de l’hélice 1 selon
-7Γinvention. Les figures 7, 8 et 9 sont basées sur l’architecture présentée dans la figure 4. Alternativement les mêmes articulations peuvent être appliquées aux architectures présentées dans les figures 5 et 6. La figures 7 représente la partie mobile 2 pouvant tourner librement autour de l’axe de fixation 4 grâce à des paliers 15a et 15b montés entre les deux pièces. Ces paliers peuvent être de tous types et peuvent même s’apparenter à une protubérance d’une ou l’autre des deux pièces. La figure 8 représente la partie mobile 2 pouvant tourner librement autour de l’axe de fixation 4 grâce à des ensembles de roulements 16a et 16b montés entre les deux pièces. Chaque ensemble de roulement peut être constitué d’un ou plusieurs éléments d’un même ou de différents types. Bien entendu, le dispositif d’articulation n’est pas limité à un axe de fixation solidaire de la partie fixe. L’axe peut être solidaire à l’une, l’autre ou aucune des parties fixe 3 et mobile 2. La figure 9 représente la partie mobile 2 pouvant tourner autour de l’axe de fixation 4 grâce à la flexibilité de ce dernier entre la partie mobile 2 et la partie fixe 3. Alternativement, cette solution rend possible l’utilisation d’une hélice 1 selon l’invention n’étant composée que d’une seule pièce. Dans l’une ou l’autre des variantes, l’axe de fixation n’est pas limité à une pièce rapportée sur l’une ou l’autre des deux autres parties 2 ou 3 mais peut être une excroissance de ces dernières. De même l’axe de fixation n’est pas limité à un élément continu et peut être constitué de plusieurs axes. La figure 10 montre une représentation en perspective d’une hélice 1 selon l’invention, présentant quatre pales. Les pales sont regroupées deux par deux dans deux parties mobiles 2a et 2b qui sont chacune maintenue à la partie fixe 3 par l’intermédiaire d’axes de fixation respectivement 4a et 4b. Bien entendu, le nombre de pales n’est pas limité à quatre. Un nombre quelconque de pales (multiple de deux) peut être obtenu en modifiant la partie fixe 3 afin qu’elle accueille le bon nombre d’axes de fixation. De plus, l’architecture adoptée n’est pas limitée à celle présentée dans la figure 4. Chaque partie mobile 2a et 2b peut être basée sur une des trois variantes proposées dans les figures 4, 5 et 6.
La figure 11 montre un schéma en perspective de deux hélices la et lb contrarotatives selon l’invention. Les deux parties mobiles 2a et 2b sont entraînées en rotation par l’intermédiaire des axes de fixations 4 a et 4b et des partie fixes 3a et 3b qui sont fixées à deux axes concentriques tournant en sens inverse l’un de l’autre. Si pour des raisons de simplicité, les hélices la et lb, reprennent l’architecture présentée dans la figure 4, chaque hélice peut être basée sur une des trois variantes proposées dans les figures 4, 5
-8et 6. Par ailleurs, chacune des deux hélices la et lb peut comporter plus de deux pales en suivant l’arrangement proposé dans la figure 10.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1/- Hélice à pas fixe et balancier comprenant comme constituants principaux:- une partie mobile (2) d’un seul tenant composée de deux pales et de leur interconnexion,- une partie fixe (3) reliant la partie mobile (2) à l’axe de rotation du système de motorisation (6).La partie mobile (2) est libre en rotation autour d’un axe de fixation (4) par rapport à la partie fixe (3). Cet axe de fixation (4) induit un couplage pas-battement en formant un angle δ (11) avec l’axe de battement (9). L’angle (11) δ vérifie la condition 0 < δ <π/2.
- 2/- Hélice selon la revendication 1 caractérisée en ce que la partie fixe (3) maintienne l’axe de fixation (4) de part et d’autre de la partie mobile (2).
- 3/- Hélice selon la revendication 1 caractérisée en ce que la partie mobile (2) soit maintenue par l’axe de fixation (4) de part et d’autre de la partie fixe (3).
- 4/- Hélice selon la revendication 1 caractérisée en ce que les parties fixe (3) et mobile (2) soient maintenues par l’axe de fixation (4) à travers un enchevêtrement d’attaches solidaires de l’une ou de l’autre des deux parties.
- 5/- Hélice selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’un ensemble de roulements ou de paliers montés aux jonctions entre l’axe de fixation (4) et la partie mobile (2) ou la partie fixe (3), permette la libre rotation entre ces deux dernières parties.
- 6/- Hélice selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’un axe de fixation (4) souple en torsion et monté entre la partie fixe (3) et la partie mobile (2), permette la libre rotation entre ces deux dernières parties.
- 7/- Hélice selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que plusieurs parties mobiles (2a) et (2b) soient superposées sur une même partie fixe (3) par l’intermédiaire de plusieurs axes de fixation (4a) et (4b).
- 8/- Hélices contrarotatives selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisées en ce que deux hélices (la) et (lb) selon l’invention soient montées autour de deux axes concentriques l’une au-dessus de l’autre.
- 9/- Hélice selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu’un ou plusieurs constituants de l’hélice constituent un fusible mécanique limitant les efforts transmis de part et d’autre afin de minimiser les risques de blessures ou de casse de moteurs en cas de collision.
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2017
- 2017-12-09 FR FR1771333A patent/FR3074778A1/fr not_active Withdrawn
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20190614 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20190906 |